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航天 | 航天员在太空呼吸的氧气从哪来?

发布时间:2022-02-09 09:16 来源:中国科普博览

  Part.1

  什么是“高原反应”?

  高原反应,也叫高原病、高山病,严格说,它是高原病的一种分型。从低海拔地区急速进入海拔3000米以上高原,暴露在低压低氧环境后,会产生各种不适,这就是高原反应,是高原地区独有的常见病,

  常见的症状有头痛,失眠,食欲减退,疲倦,呼吸困难等。

  头痛是最常见的症状,常为前额和双颞部跳痛,夜间或早晨起床时疼痛加重。以笔者这次的经历为例,晚上睡觉感觉头一直隐隐的疼,睡不踏实,早上起来显得特别精神不振。

  高原上的气压通常是平原上的1/2,氧气含量也相对比较稀薄,氧气的缺失造成了我们常说的高原反应。对于身体较为薄弱的人来说,就会出现基础疾病加重,甚至出现上述的头晕、头疼、呼吸困难、心悸、疲劳、乏力等情况。通常轻症者经过3-5天的时间,进行一定程度的吸氧,症状可以逐渐消失并且缓解;但是如果是高原反应重症者,会出现明显的高原性肺水肿和脑水肿,是非常危险的。

  图片来源:https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11853206941/641)

  Part.2

  为什么越往地球高处,氧气就越少?

  咱们周围的空气虽然看不见摸不着,但其实也被地球重力吸引、也有重量。只不过是因为我们习惯了地球表面的气压,人体能够达到内外压力平衡,才不会觉得自己被“压扁了”。

  既然空气是由地球引力集中在地球周围的,那么离地越近,引力越强,聚集的气体也就越多,气体的压强也越大。而离地远的时候,引力较弱,气体也没有那么密集,压强较小。

  换一个说法,气压是从我们所站的位置,向上延伸到大气上界的垂直空气柱所受到的重力。假如笔者爬到4800米的那曲站点,头顶的空气柱是从4800米开始往上直到上千公里的,缺少了最下方那4800米,空气柱对底面的压力远远比不上在平原处受到的完整空气柱的压力;相应的,压力较小的地方压缩的空气密度也较小,4800米处空气密度也小于平原。

  因此,越往高处,空气压力和密度越低,直到“真空”。空气密度低了,空气中的氧气的量也少了。而且由于氧元素较重,其实较高高度氧的下降会更快,后来空气里只剩下氢,甚至低到什么空气都没有。然而我们人类赖以生存的,正是空气中的氧气。

  Part.3

  在太空呼吸的氧气有哪几种获取方法?

  越往高处空气越稀薄,那么到了“太空”,不就没有空气了?2021年10月,神舟十三号载人飞船搭载着“太空出差三人组”顺利进入太空。根据任务,三位航天员将在太空中驻留6个月,他们将在太空中过春节。么长的时间,他们呼吸的氧气从何而来?

  宇宙空间可不止4800米这么低,地球周围的宇宙空间,最低高度大约是10万米,这里几乎就没有空气了,气压甚至是地面的百万分之一。

  宇航员想在这里呼吸,就不是“补充氧气”这么简单了。

  第一种方法当然就是从地面直接带氧气罐。一如我们考察队在西藏购买氧气袋、氧气瓶一样。这种方法最为直接,不过效率也很低。

  第二种方法是固体燃料氧气发生器。这种方法主要是化学反应产生氧气,在西藏也可以购置相似的装备。固体原料利于存储,可以用较小的体积储备较多的氧气。例如,装着粉末状氯酸钠和铁粉混合物的金属罐子,在点燃时,铁燃烧并产生化学反应所需的热能,相应的化学反应产生氯化钠和氧气。商用飞机在舱内气压下降时也用相似的办法制氧。

  第三种方法是电解水。这种方式在地面很少用,但却是空间站中提供氧气非常重要的手段。

  在地面上,电解水消耗能源较多,产生的氢气又有危险,但是,空间站上的供电不是问题,巨大的太阳能电池板可以供应免费的电力,而伴随产生的氢气也可排放到太空中。作为原料的水,可以从地球上通过补给船运送到空间站,还可以通过冷凝器回收机舱空气中的水蒸气,甚至使用宇航员的尿液过滤和回收。据报道,国际空间站的氧气发生器就是电解水的制氧设备。

  Part.4

  在太空呼吸,“只进不出”是不行的

  人类呼吸,消耗的是氧气,呼出的是二氧化碳。空间站是密封的,时间长了,房间里岂不是要堆满了二氧化碳?二氧化碳要往哪里去?

  这就需要提到空间站中的空气系统,它不止制备、提供氧气,还需要处理宇航员呼出的二氧化碳。

  宇航员所呼吸的空气中,产生的二氧化碳已经经过空气系统处理,比如用沸石分子筛可以去除空气中的二氧化碳。也就是说,空气系统不仅要能出氧气,也要能除去二氧化碳。空气中还有其他一些气体,比如甲烷、丙酮、甲醇和一氧化碳等,这些气体都可以在空间站上的活性炭过滤器的帮助下移除。因此,宇航员所用的呼吸系统,实际上应该叫空气循环与过滤系统,而不止是制备氧气。

  正是在这些空气系统的帮助下,宇航员们才能在太空中安然过年,顺利完成任务。让我们期待他们的凯旋归来吧!

编辑:徐菁
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